超聲波測(cè)距報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

引言

科學(xué)家們將每秒鐘振動(dòng)的次數(shù)稱為聲音的頻率，它的單位是赫茲。我們?nèi)祟惗淠苈?tīng)到的聲波頻率為20～20000Hz。當(dāng)聲波的振動(dòng)頻率大于20KHz或小于20Hz時(shí)，我們便聽(tīng)不見(jiàn)了。因此，我們把頻率高于20000赫茲的聲波稱為“超聲波”。

1.超聲波測(cè)距原理

超聲波是指頻率高于20KHz 的機(jī)械波。為了以超聲波作為檢測(cè)手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波，完成這種功能的裝置稱為超聲波傳感器。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，有的也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。根據(jù)超聲波的產(chǎn)生方式，超聲波傳感器可分為兩大類：一類是電氣式，如壓電式、磁致伸縮式和電動(dòng)式等；一類是機(jī)械式，如加爾統(tǒng)笛、液哨等。目前常用的是壓電式超聲波傳感器。它利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即發(fā)射超聲波時(shí)，將電能轉(zhuǎn)換為超聲波發(fā)射出去；在收到回波時(shí)，將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

超聲波測(cè)距的原理一般采用時(shí)間差法，即測(cè)出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離，即：

式中，D—傳感器與障礙物之間的距離；c—聲波在介質(zhì)中的傳輸速度。

由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強(qiáng)度易控制、與被測(cè)物體不需直接接觸，故超聲波傳感器廣泛地應(yīng)用于液體高度測(cè)量、汽車倒車等方面。為了提高測(cè)量精度，減小誤差，根據(jù)公式（1）可知，測(cè)距誤差由傳播速度誤差和傳播時(shí)間誤差引起。

當(dāng)傳播速度準(zhǔn)確時(shí)，傳播時(shí)間差值精度只要達(dá)到微秒級(jí)，就可保證測(cè)距誤差小于1mm。設(shè)計(jì)中，可采用12MHz 晶體作時(shí)鐘的基準(zhǔn)，單片機(jī)定時(shí)器的計(jì)數(shù)精度可達(dá)1us，從而保證測(cè)量精度。

傳播速度受空氣密度的影響，空氣密度越高，傳播速度越快，而空氣密度與溫度有密切關(guān)系。在理想氣體中聲波的傳播速度c 為：

式中，γ—氣體定壓比熱容與定容比熱容之比；R—氣體常數(shù)；M—氣體分子量；T—絕對(duì)溫度。

若溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速基本不變，其值為340m/s。若測(cè)距精度要求較高，為減小溫度變化對(duì)聲速產(chǎn)生的影響，在設(shè)計(jì)中，應(yīng)增加溫度傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度，進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償，近似公式為：

式中，c0—零度時(shí)的聲波速度332m/s； T—實(shí)際溫度（℃）。

2.測(cè)距報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

電路原理圖如圖1 所示。采用PIC16F73 單片機(jī)作為主控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)CX20106 紅外接收芯片（紅外常用的載波頻率38KHz 與測(cè)距超聲波頻率40KHz 較為接近） 和TCT40 系列超聲波轉(zhuǎn)換模塊的控制。單片機(jī)通過(guò)端口RB1 控制超聲波的發(fā)送，然后單片機(jī)不停地檢測(cè)中斷端口RB0/INT，當(dāng)端口RB0/INT 的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，系統(tǒng)認(rèn)為超聲波已返回。計(jì)數(shù)器所計(jì)數(shù)據(jù)即為超聲波所經(jīng)歷的時(shí)間，通過(guò)換算可得到傳感器與障礙物之間的距離。超聲信號(hào)的驅(qū)動(dòng)由單片機(jī)定時(shí)器完成，LED 數(shù)字顯示采用動(dòng)靜態(tài)驅(qū)動(dòng)相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)，報(bào)警模塊采用簡(jiǎn)單的聲光報(bào)警電路。

圖1 測(cè)距報(bào)警系統(tǒng)電路原理圖